DE602004011534T2 - TRANSMIT APODISER CONTROL FOR MICRO-STROKE SHAPERS - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf einen Ultraschallwandler für die medizinische Bildgebung und spezieller auf ein System zur Apodisierungssteuerung in einem Ultraschallwandler, d. h. zur Steuerung der Form des Sendestrahlenbündels eines Ultraschallwandlers, vornehmlich im Zusammenhang mit einer Teilarray-Strahlformung.The The present invention relates generally to an ultrasonic transducer for the medical imaging, and more particularly to a system for apodization control in an ultrasonic transducer, d. H. for controlling the shape of the transmission beam of a Ultrasonic transducer, primarily in the context of a sub-array beam shaping.
Die
Teilarray-Strahlformung oder Mikrostrahlformung beinhaltet die Verwendung
von Sende- und/oder Empfangsarrays von Ultraschallwandlern, die
in Teilarrays gruppiert sind. In der
Darüber hinaus
wird in der
Der im Folgenden allgemein verwendete Ausdruck Mikrostrahlformer beschreibt einen Teilarray-Strahlformer, der in den Griff des Wandlers integriert ist, um den Anschluss an eine sehr große Anzahl von piezoelektrischen Sensorelementen zu erleichtern, die in einem zweidimensionalen Array angeordnet sind. Eine derartige Konfiguration ermöglicht die volumetrische Echtzeit-Bildgebung, wenn sie in Kombination mit einem Mainframe-Strahlformer und einem nachgeschalteten Anzeigeteilsystem eingesetzt wird. Anstatt die Elektronik des Teilarray-Strahlformers in den Griff des Wandlers zu integrieren, kann sie im Mainframe angeordnet sein. Der Ausdruck Mikrostrahlformung könnte auch für eindimensionale Arrays verwendet werden.Of the hereinafter commonly used term describes microbeamformer a sub-array beam shaper that integrates into the handle of the transducer is to connect to a very large number of piezoelectric To facilitate sensor elements in a two-dimensional array are arranged. Such a configuration allows the real-time volumetric imaging when combined with a Mainframe beamformer and a downstream display subsystem is used. Instead of the electronics of the subarray beamformer to integrate in the handle of the converter, it can be in the mainframe be arranged. The term micro-beam shaping could also for one-dimensional Arrays are used.
Bei der Mikrostrahlformung ist die Steuerung der Form des Sendestrahlenbündels ein wichtiger Aspekt für erfolgreiche Implementierungen von Mehrlinien-Bildgebungswandlern, insbesondere bei der Echtzeitvolumenerfassung, bei der eine Mehrlinien-Bildgebung höherer Ordnung erforderlich ist, um ausreichende Volumenerfassungsraten zu erzielen. Eine Steuerung der Form des Sendestrahlenbündels ist möglich, weil in derzeitigen Ultraschallwandlern jedes Element in dem Wandlerarray üblicherweise mit einer Steuerelektronik verbunden ist, so dass jedes Element einzeln steuerbar ist.at the micro-beam shaping is the control of the shape of the transmission beam important aspect for successful implementations of multi-line imaging converters, especially in real-time volume acquisition, where multi-line, higher-order imaging is required to achieve adequate volume acquisition rates. A Control of the shape of the transmitted beam is possible because in current Ultrasonic transducers typically convert each element in the transducer array Connected to a control electronics, so that each element is individually controllable.
Ferner kann bei der Mikrostrahlformung und anderen Strahlformungsanwendungen, die ein Wandlerarray umfassen, immer nur ein Teil der gesamten Anzahl von Elementen in dem Wandlerarray zur selben Zeit betriebsbereit sein. Man bezeichnet dies als Steuerung der Apertur des Wandlerarrays. Die Apertur des Wandlerarrays bezieht sich auf die Konfiguration der Wandlerelemente, die zu einem beliebigen Zeitpunkt aktiv sind. Die elektronische Steuerung jedes Elements im Wandler ermöglicht es, die Sende- und Empfangssignale zu formen und zu verzögern, um ein geeignetes Signal für die Art der jeweils durchgeführten Bildgebung zu liefern.Further can be used in micro-beamforming and other beamforming applications, which comprise a transducer array, always only part of the total number of elements in the transducer array at the same time be. This is referred to as control of the aperture of the transducer array. The Aperture of the transducer array refers to the configuration of the Transducer elements that are active at any one time. The electronic control of each element in the converter makes it possible to shape and delay the transmit and receive signals a suitable signal for the type of each performed To deliver imaging.
Bezug
nehmend auf
Bei
einem Mikrostrahlformer, wie dem in
Eine Weise, die Wandlerelemente zu steuern, kennt man als Apodisierung. Die Apodisierung einer Ultraschallwandlerapertur ist eine graduelle Verringerung der Sendeamplitude und/oder Empfangsverstärkung von der Mitte zu den Rändern der Apertur mit einer resultierenden Verkleinerung der Strahlnebenkeulenpegel.A The way to control the transducer elements is known as apodization. The apodization of an ultrasonic transducer aperture is a gradual reduction the transmit amplitude and / or receive gain from the center to the edges the aperture with a resulting reduction in beam lobe levels.
In der Praxis kommen verschiedene Apodisierungsverfahren zum Einsatz. Bekannt sind beispielsweise die Verwendung von Rechteckimpulsgebern mit Versorgungsspannungen, die über die aktive Apertur variieren, sowie ferner die Anwendung einer kanalweisen Apodisierung mit Hilfe von Wellenformungssendern. Erreicht wird diese Fähigkeit durch zusätzliche Komplexität entweder in den Energieverwaltungskomponenten oder den einzelnen Sendern.In In practice, different apodization methods are used. For example, the use of rectangular pulse generators is known with supply voltages over the active aperture will vary as well as the application of a channel wise one Apodization with the help of wave transmitters. Is achieved through this ability additional complexity either in the power management components or the individual transmitters.
Beim Entwurf von Mikrostrahlformern für die Echtzeit-3D-Bildgebung ist Platz von besonderer Bedeutung, weil die integrierten Schaltungen (ICs) des Mikrostrahl formers in den Griff des Wandlers passen müssen. Außerdem muss wegen der Schwierigkeit, für die Kühlung der Mikrostrahlformerelektronik zu sorgen, die Verlustleistung begrenzt werden. Der Sender im Mikrostrahlformer sollte als solches eine möglichst einfache und elementare Konstruktion aufweisen, und eine komplizierte Modifizierung des Senders, um die Apodisierung vorzusehen, sollte vermieden werden.At the Design of microbeamformers for Real-time 3D imaging is of particular importance because of the integrated circuits (ICs) of the micro-beam former in the Handle of the converter must fit. Furthermore must because of the difficulty, for the cooling micro-beamformer electronics, which limits power dissipation become. The transmitter in the Mikrostrahlformer should as such a possible have simple and elementary construction, and a complicated one Modification of the transmitter to provide the apodization should be avoided.
Die Mikrostrahlformer-ICs bei einem System nach dem Stand der Technik verwenden unipolare Impulsgeber, die pro Element jeweils zwei Apodisierungsebenen vorsehen: ein oder aus. Dieses System hat vor allem die Nachteile, dass die Apodisierung begrenzt ist und es häufig keine hinreichende Strahlnebenkeulensteuerung vorsieht. Es wäre daher vorteilhaft, neue Verfahren zur Apodisierungssteuerung für das Aussenden von Mikrostrahlformern zu schaffen, die eine geeignete Strahlnebenkeulensteuerung ermöglichen, ohne die Schaltung, die im Wandlergriff untergebracht sein muss, wesentlich zu komplizieren.The Microbeamformer ICs in a prior art system use unipolar pulse generators that each have two apodization levels per element Provide: on or off. This system has the disadvantages that apodization is limited and there is often insufficient beam lobe control provides. It would be therefore advantageous, new methods for Apodisierungssteuerung for sending of micro-beam shapers that enable suitable beam lobe control, without the circuitry that needs to be housed in the transducer handle, significantly complicate.
Um das von den Wandlern erzeugte akustische Signal zu steuern, werden von manchen Ultraschallbildgebungssystemen nach dem Stand der Technik die Array-Elemente in dem Wandler mit einem einfachen Rechteck (Boxcar)-Spannungsanregungssignal von unterschiedlicher Dauer und mit unterschiedlichem Tastverhältnis angesteuert. Dem Fachkundigen ist bekannt, wie diese Spannungsanregungssignale bei einer festen oder variablen Mainframe-Energieversorgung erzeugt werden. Häufig wird die Spannung oder Impulsbreite geändert, um zu versuchen, die Amplitude des akustischen Signals zu verändern. Durch Ändern der Ansteuerungsspannung ändert sich die Gesamtenergie, die zum Ansteuern des Wandlers bereitgestellt werden kann, während sich durch Ändern der Impulsbreite der Ansteuerungsspannung die Weise ändert, wie der Wandler mitschwingt, wobei unterschiedliche akustische Signalamplituden möglich sind. Zum Zwecke der Apodisierung über ein Array hinweg funktioniert es gut, für jeden Wandler unterschiedliche Ansteuerungsspannungen zu haben. Bei denjenigen Ansteuerungseinheiten jedoch, die geringe Spannungen abgeben sollen, wandeln die Ansteuerungsschaltungen selbst viel Energie um, weil die Ausgangsspannung und der Hochspannungsbus des Systems sehr unterschiedlich sein können. Bei Mikrostrahlformern kann diese Ineffizienz (aufgrund der damit verbundenen Sondenaufheizung) nicht toleriert werden, so dass es vorteilhaft wäre, ein effizientes Ansteuerungsverfahren zu schaffen, das unterschiedliche Ausgangspannungsimpulse ermöglicht.Around to control the acoustic signal generated by the transducers of some prior art ultrasound imaging systems the array elements in the converter with a simple boxcar voltage excitation signal driven by different duration and with different duty cycle. The skilled person is aware of how these voltage excitation signals generated at a fixed or variable mainframe power supply become. Frequently becomes the voltage or pulse width changed to try that Amplitude of the acoustic signal to change. By changing the Drive voltage changes the total energy provided to drive the converter can be while by changing the pulse width of the driving voltage changes the way as the transducer resonates, with different acoustic signal amplitudes possible are. It works for purposes of apodization across an array good for Each converter to have different drive voltages. However, in those driving units, the low voltages the driver circuits themselves convert a lot Energy around, because the output voltage and the high voltage bus of the Systems can be very different. For microbeamformers can this inefficiency (due to the associated probe heating) can not be tolerated, so it would be beneficial to have an efficient driving method to create different output voltage pulses.
Um einen Rechteckspannungsimpuls zum Wandler zu erzeugen, muss ein Sender signifikante Strommengen bereitstellen oder abziehen, um die mit dem Wandler verbundene Kapazität aufzuladen. Leider ist der Strom durch Pull-up- und Pull-down-MOSFET-Bauelemente direkt proportional zu deren Breite, so dass ein sehr großes (breites) Bauelement erforderlich ist, um große Ströme bereitzustellen oder abzuziehen. Da Platz in Mikrostrahlformern von größter Bedeutung ist, wäre es vorteilhaft, ein Impulsgebungsverfahren zu entwickeln, das keine großen Ansteuerungsströme benötigt, so dass man kleinere Bauelemente verwenden kann.Around To generate a square-wave voltage pulse to the converter must be Transmit or subtract significant amounts of electricity to charge the capacity connected to the converter. Unfortunately, that is Current through pull-up and pull-down MOSFET devices directly proportional to their width, so that a very large (wide) component required is to big streams provide or subtract. There's room in microbeamformers of highest importance is, would be it is advantageous to develop a pulsing method that does not huge drive currents needed so that you can use smaller components.
Dem Fachkundigen auf dem Gebiet des Wandlerentwurfs ist bekannt, dass der einem Wandler zugeführte Strom proportional zur Geschwindigkeit der Stirnfläche dieses Wandlers und damit des Drucks (akustische Amplitude) ist, der in dem Medium entsteht, in welches hinein gesendet wird. Um die Apodisierung über das Array hinweg zu verändern, kann es nützlich sein, diese Empfindlichkeit des Wandleransteuerungsstroms auszunutzen und gleichzeitig die relativ geringe Größe des Mikrostrahlformers beizubehalten.the Those skilled in the art of transducer design are aware of the supplied to a converter Current proportional to the speed of the face of this Transducer and thus the pressure (acoustic amplitude) that is in the medium is created into which is sent. To the apodization over the Can change the array it useful be to take advantage of this sensitivity of the converter drive current and at the same time maintain the relatively small size of the microbeamformer.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein neues System zur Apodisierungssteuerung eines von einem Mikrostrahlformer angesteuerten Ultraschallwandlerarrays zu schaffen.A The object of the present invention is a new system for apodization control of a controlled by a micro-beam former To create ultrasonic transducer arrays.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein neues System zur Apodisierungssteuerung eines von einem Mikrostrahlformer angesteuerten Ultraschallwandlerarrays zu schaffen, das Pull-up/Pull-down-Bauelemente in Verbindung mit mehreren Impulsgeberversorgungsspannungen verwendet.A Another object of the present invention is to provide a new System for apodization control of a controlled by a micro-beam former Ultrasonic transducer arrays to create the pull-up / pull-down devices Used in conjunction with multiple encoder supply voltages.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Apodisierungssteuerung zu schaffen, die zum Ansteuern des Ultraschallwandlers mehrere schaltbare Stromquellen verwendet.A Another object of the present invention is an apodization control to provide, for controlling the ultrasonic transducer several switchable Power sources used.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Apodisierungssteuerung zu schaffen, die eine oder mehrere schaltbare Stromquellen verwendet, um den Ultraschallwandler unterschiedlich lange anzusteuern.A Another object of the present invention is an apodization control creating one or more switchable power sources, to control the ultrasonic transducer for different lengths.
Um diese und andere Aufgaben zu erfüllen, umfasst ein erfindungsgemäßes System zur Apodisierungssteuerung eines Mikrostrahlformers mehrere Mikrostrahlformerkanäle, die in mehrere Mikrostrahlformer-Patches gruppiert oder diesen zugeordnet sind, wobei jeder Mikrostrahlformerkanal eine Verbindung zu einem Wandler umfasst, eine Mikrostrahlformersendesteuerungs- und -ansteuerungsschaltung, um den Wandler anzure gen, einen Mikrostrahlformerempfänger, um die Wandlersignale zu empfangen, sowie normalerweise eine Verzögerungseinheit, um die empfangenen Wandlersignal zu verzögern. Die Mikrostrahlformersender in jedem Patch sind mit einem gemeinsamen Energieversorgungsknoten verbunden, haben aber eigene Schaltungen zur Steuerung der Zeitsteuerung. Ein Mainframe-Strahlformer hat mehrere Mainframe-Kanäle, die jeweils einen Mainframe-Empfänger und einen Mainframe-Sender zum Senden einer gepulsten Spannung umfassen. Jedes Mikrostrahlformer-Patch ist, beispielsweise über ein mit dem gemeinsamen Knoten des Patchs verbundenen Kabel, mit einem entsprechenden Mainframe-Kanal verbunden, so dass der Mainframe-Empfänger Signale von dem Patch von Mikrostrahlformerempfänger-Datenpfaden einspeist.Around to accomplish these and other tasks an inventive system For Apodisierungssteuerung a Mikrostrahlformers several Mikrostrahlformerkanäle, the grouped into or associated with multiple microbeamformer patches, wherein each microbeamformer channel connects to a transducer includes a microbeamformer sending control and driving circuit To stimulate the transducer, a Mikrostrahlformerempfänger to to receive the transducer signals, and usually a delay unit, to delay the received transducer signal. The microbeamformer transmitter in each patch are connected to a common power supply node connected, but have their own circuits for controlling the timing. A mainframe beamformer has several mainframe channels one mainframe receiver each and a mainframe transmitter for transmitting a pulsed voltage. each Microbeamformer patch is, for example, one with the common Node of the patch connected cable, with a corresponding mainframe channel connected so that the mainframe receiver receives signals from the patch of microbeamformer receiver data paths feeds.
Es gibt verschiedene Wege, die Aufgaben der vorliegenden Erfindung zu erreichen, die entweder das Schaffen individueller Versorgungsspannungsanschlüsse zu den Mikrostrahlformer-Patches oder das Schaffen individueller Ansteuerungselektronik vorsehen, um den Strom von/zu jedem angeschlossenen Wandler zu regeln. Das erste Verfahren verwendet Mainframe-Sendeansteuerungseinheiten, um jedem Patch eine andere Hochspannungsversorgung zuzuführen, die dann benutzt wird, um die einzelnen Wandler innerhalb dieses Patchs auf unterschiedliche Spannungen zu bringen. Beim zweiten Verfahren wird eine Anzahl variabler Hochspannungsversorgungen im Mainframe zugeordnet (separat und zusätzlich zu den Mainframe-Sendeansteuerungseinheiten), die mit einem oder mehreren der Mikrostrahlformer-Patches verbunden sind. Ein drittes Verfahren verwendet eine einzelne, fest zugeordnete Hochspannungsversorgung für alle Mikrostrahlformer-Patches, sieht aber zur Steuerung der Amplitude der gesendeten akustischen Wellenform unterschiedliche Stromansteuerungsausgänge pro Patch oder Wandler vor. Ein viertes Verfahren schließlich verwendet eine einzelne, fest zugeordnete Hochspannungsversorgung für alle Mikrostrahlformer-Patches sowie einen einzelnen Stromansteuerungsausgang, wobei jedoch die Stromzuführungsdauer zu den Wandlern variabel ist, um den Wandlern variierende Mengen elektrischer Energie zuzuführen und somit unterschiedliche akustische Amplituden anzuregen. Diese Verfahren können einzeln oder in verschiedenen Kombinationen eingesetzt und implementiert werden, um eine Fülle unterschiedlicher Mikrostrahlformersenderkonfigurationen mit verschiedenen Ansteuerungsfähigkeiten zu erzielen. Jedes Verfahren erfüllt die Aufgabe der Erfindung, eine Apodisierungssteuerung von Ultraschallwandlerarrays zu schaffen, wie nachfolgend zusammengefasst wird.It There are several ways that the objects of the present invention to achieve either the creation of individual supply voltage connections to the Microbeamformer patches or creating custom control electronics provide power to / from each connected converter. The first method uses mainframe transmission drive units to to supply each patch with a different high voltage supply, the then it uses the individual transducers within this patch to bring different tensions. In the second procedure is a number of variable high voltage supplies in the mainframe assigned (separately and additionally to the mainframe transmission drive units), which are provided with one or more several of the microbeamformer patches are connected. A third Method uses a single dedicated high voltage power supply for all Microbeamformer patches, but sees to the control of the amplitude of the sent acoustic Waveform different current drive outputs per patch or transducer before. Finally, a fourth method uses a single, dedicated high voltage power supply for all microbeamformer patches and a single current drive output, however, the Power supply duration variable to the transducers, varying amounts to the transducers to supply electrical energy and thus to stimulate different acoustic amplitudes. These Procedures can used and implemented individually or in various combinations become a wealth different microbeamformer transmitter configurations with different drive capabilities to achieve. Every procedure is fulfilled the object of the invention, a Apodisierungssteuerung of ultrasonic transducer arrays to create, as summarized below.
Das erste Verfahren zur Anwendung der Apodisierung auf mikrostrahlgeformte Arrays verwendet die Mainframe-Sendeansteuerungseinheiten im Mainframe-Strahlformer, um jedes Patch mit einer unterschiedlichen Hochspannungsversorgung zu versehen, mit der dann die einzelnen Wandler angesteuert werden. Schaltungen zur Steuerung der Zeitsteuerung in jedem Mikrostrahlformerkanal stellen fest, wann der zugehörige Mikrostrahlformersender innerhalb des Patchs den Wandler anregt. Die Mainframe-Senderkanalspannung, und damit die Patch-Versorgungsspannung, lässt sich bei dieser Konfiguration beliebig variieren, weil die Mainframe-Sender dafür ausgelegt sind, eine große Auswahl von Ausgangsspannungen bereitzustellen. Der Sender in jedem Mainframe-Kanal kann dafür eingerichtet sein, einen unipolaren Impuls für die Dauer jedes Sendebursts durch die Mikrostrahlformersender zu übertragen, so dass die von den Mikrostrahlformersendern angesteuerten Impulse eine Amplitude haben, die dem unipolaren Impuls vom Mainframe-Kanal entspricht. Auf diese Weise werden die Mainframe-Sender zu einer variablen Spannungsversorgung für das Patch von Sendern im Mikrostrahlformer.The first method of applying apodization to micro-beamformed arrays uses the mainframe transmit drive units in the mainframe beamformer to provide each patch with a different high voltage power supply to drive each transducer. Timing control circuitry in each microbeamformer channel determines when the associated microbeamformer transmitter within the patch excites the transducer. The mainframe transmitter channel voltage, and thus the patch supply voltage, can be arbitrarily varied in this configuration because the mainframe transmitters are designed to provide a wide range of output voltages. The transmitter in each mainframe channel may be configured to provide a unipolar pulse for the duration of each transmit burst through the microbeamformer transmitters so that the pulses driven by the microbeamformer transmitters have an amplitude corresponding to the unipolar pulse from the mainframe channel. In this way, the mainframe transmitters become a variable voltage supply for the patch of transmitters in the microbeamformer.
Ein komplizierendes Detail dieses ersten Verfahrens ist die Trennung der Sendeereignisse, die inhärent eine hohe Spannung haben, und der Empfangsereignisse, die inhärent eine niedrige Spannung haben. Genauer gesagt, um zu vermeiden, dass Senderauschen den Empfangsdatenpfad verunreinigt, sind zwischen den Mikrostrahlformersendern und dem Kabel sowie zwischen dem Kabel und den Mainframe-Sendern Dioden vorgesehen. Ferner können sowohl im Ausgangspfad von den Mikrostrahlformerempfängern als auch im Eingangspfad des Mainframe-Empfängers Schutzeinrichtungen wie Schalter vorgesehen sein, um die Empfänger zu schützen, wenn die Sender in Betrieb sind.One The intricate detail of this first procedure is the separation the broadcast events inherent have a high voltage, and the receiving events inherently a have low voltage. More specifically, to avoid transmitter noise contaminate the receive data path are between the microbeamformer transmitters and the cable and between the cable and the mainframe transmitters Diodes provided. Furthermore, can both in the output path from the microbeamformer receivers as also in the input path of the mainframe receiver protective devices such as switches be provided to the receiver to protect, when the transmitters are in operation.
Indem über einen Mainframe-Sender für jedes Patch eine unabhängige Versorgungsspannung vorgesehen wird, kann jedes Patch unterschiedliche Amplitudenwellenformen senden und dadurch für eine verbesserte Formung des Sendestrahlenbündels sorgen.By having one Mainframe transmitter for every patch is an independent one Supply voltage is provided, each patch can have different amplitude waveforms send and thereby for a to ensure improved shaping of the transmitted beam.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung sind die Patches in mehrere Blöcke (Cluster) gruppiert, wobei jedes Cluster vorzugsweise mehrere Patches umfasst. Mikrostrahlformersender werden dann vom Mainframe aus über eine Vielzahl von individuell justierbaren Energieversorgungen (oder Mainframe-Sender) gespeist, und jedes Cluster ist, beispielsweise über ein Kabel, mit einer entsprechenden Energieversorgung verbunden. Die jedem Cluster zugeführte Versorgungsspannung ist unabhängig justierbar oder einstellbar, beispielsweise auf eine unterschiedliche Spannung für jedes Impulswiederholungsintervall.at another embodiment According to the invention, the patches are grouped into a plurality of clusters, wherein each cluster preferably comprises a plurality of patches. microbeamformer are then transferred from the mainframe a variety of individually adjustable power supplies (or mainframe transmitters) powered, and each cluster is, for example via a cable, with a corresponding one Energy supply connected. The supply voltage supplied to each cluster is independent adjustable or adjustable, for example, to a different Tension for every pulse repetition interval.
Obwohl die Sender in jedem Mikrostrahlformer-Patch nicht wie in der obigen Ausführungsform von einer speziellen Energieversorgung gespeist werden, werden Cluster von Mikrostrahlformer-Patches von einer gemeinsamen Energieversorgung gespeist, wobei durch eine geeignete Zuordnung der Mikrostrahlformer-Patches zu Cluster die Form des Sendestrahlenbündels wirksam und vorteilhaft gesteuert werden kann. Hauptsächlicher Vorteil dieser Ausführungsform ist die Eliminierung der Dioden und Schalter, ohne dass sich die Anzahl der zur Versorgung der verschiedenen Patch-Sender erforderlichen Kabel dramatisch erhöht.Even though the transmitters in each microbeamformer patch do not like the one above Embodiment of a special energy supply, become clusters microbeam shaper patches from a common power supply powered by an appropriate assignment of the microbeamformer patches to cluster the shape of the transmitted beam effectively and favorably can be controlled. Principal Advantage of this embodiment is the elimination of the diodes and switches, without the Number of cables required to power the various patch transmitters increased dramatically.
Eine direkte Erweiterung dieser Ausführungsform besteht darin, Hochspannungsschalter (oder andere Schaltermittel) in die Mikrostrahlformersender aufzunehmen, die selektiv aus einer geringen Anzahl von mainframe-gespeisten Hochspannungsschienen auswählen können. Das heißt, anstatt die Patches oder Mikrostrahlformerkanäle zusammenzufassen, um eine gemeinsame Hochspannungsversorgung zu nutzen, kann jeder Mikrostrahlformerkanal einen oder mehrere Hochspannungsschalter enthalten, um aus einer geringen Anzahl von Stromschienen auszuwählen. Die Auswahl, welche Stromschiene zu benutzen ist, und damit die angelegte Ansteuerungsspannung, kann Kanal für Kanal erfolgen und für jedes Impulswiederholungsintervall unterschiedlich sein.A direct extension of this embodiment consists of high voltage switch (or other switch means) into the Mikrostrahlformersender which selectively from a small number of mainframe powered high voltage rails. The is called, instead of pooling the patches or microbeamformer channels to one can use common high voltage power supply, any micro-beam former channel one or more high voltage switches included to one out select a small number of busbars. The choice of which track to use, and thus the applied drive voltage can Channel for Channel and for each pulse repetition interval be different.
Bei einer dritten Ausführungsform der Erfindung können die Ansteuerungseinheiten der Mikrostrahlformersender speziell dafür ausgelegt sein, einen bestimmten Wandler mit einer variablen Stromquelle anstatt als eine Spannungsquelle anzusteuern. Im Gegensatz zu Mainframe-Sender, die in der Lage sein müssen, viele unterschiedliche Arten von Wandlern anzusteuern, können die Mikrostrahlformersender dafür ausgelegt sein, einen speziellen Wandler optimal und effizient anzusteuern. Daher ist es an sich möglich, mehrere schaltbare Stromquellen und -senken in jedem Mikrostrahlformersender zu benutzen, um den Wandler anzusteuern, wobei größere Ströme größere akustische Amplituden und kleinere Ströme kleinere akustische Amplituden vom Wandler hervorrufen. Diese Apodisierungsverfahren können durchgeführt werden, indem man für alle Mikrostrahlformerkanäle eine einzelne gemeinsame Hochspannungsversorgung verwendet. Darüber hinaus lässt sich die Apodisierungssteuerung durch Auswählen spezieller Quell- und Senkströme problemlos auf jedem Mikrostrahlformerkanal erreichen, anstatt in Patches oder Patch-Cluster gruppiert zu sein.at a third embodiment of the invention the drive units of the microbeamformer transmitter specially designed for this purpose be a particular converter with a variable current source instead as a voltage source to control. Unlike mainframe stations, who need to be able to Many different types of converters can control the Microbeamformer transmitter for it be designed to optimally and efficiently control a special converter. Therefore, it is possible multiple switchable current sources and sinks in each microbeamformer transmitter to use to drive the transducer, with larger currents greater acoustic Amplitudes and smaller currents cause smaller acoustic amplitudes from the transducer. These apodization methods can be done by looking for all microbeamformer channels uses a single common high voltage power supply. Furthermore let yourself the apodization control by selecting special source and sink currents reach easily on any microbeamformer channel, rather than in Grouped patches or patch clusters.
Diese Ausführungsform der Erfindung umfasst mehrere schaltbare Stromquellen, die jeweils sowohl einen Serienschalter und ein Pull-up-Bauelement als auch meh rere schaltbare Stromsenken umfassen, die wiederum jeweils einen Serienschalter und ein Pull-up-Bauelement beinhalten. Eine derartige Konfiguration schaltbarer Stromquellen und -senken ist dem Fachkundigen als Current-Mode-Analog/Digital-Umsetzer (DAC) bekannt. Die zuvor erwähnten Pull-up-Bauelemente können PMOSFET (auch bekannt als PMOS)-Bauelemente sein, die unter Vorspannung stehen, um konstante Ströme von der Hochspannungsversorgung zum Wandler zu liefern. Die PMOSFET-Bauelemente können auch in Sperrrichtung vorgespannt sein, um als Schalter zu funktionieren, oder es kann ein separates PMOSFET-Bauelement in Reihe zugeordnet sein, um die Schalterfunktion auszuüben. Auf ähnliche Weise können die Pull-down-Bauelemente NMOSFET (auch bekannt als NMOS)-Bauelemente sein, die unter Vorspannung stehen, um konstante Ströme vom Wandler zur Masse (oder einem negativen Versorgungsanschluss) zu liefern. Die NMOS-FET-Bauelemente können ebenfalls in Sperrrichtung vorgespannt sein, um als Schalter zu funktionieren, oder es kann ein separates NMOSFET-Bauelement in Reihe zugeordnet sein, um die Schalterfunktion auszuüben.This embodiment of the invention comprises a plurality of switchable current sources, each comprising both a series switch and a pull-up device as well as meh rere switchable current sinks, which in turn each include a series switch and a pull-up device. Such a configuration of switchable current sources and sinks is known to those skilled in the art as Current Mode Analog to Digital Converter (DAC). The aforementioned pull-up devices may be PMOSFETs (also known as PMOS) devices that are biased to provide constant currents from the high voltage power supply to the converter. The PMOSFET devices may also be reverse biased to function as switches, or a separate PMOSFET device may be associated in series to perform the switch function. Similarly, the pull-down devices may be NMOSFETs (also known as NMOS) devices that are biased to provide constant currents from the transducer to ground (or a negative supply supply connection). The NMOS FET devices may also be reverse biased to function as switches, or a separate NMOSFET device may be serially associated to perform the switch function.
Dem Fachkundigen ist bekannt, dass sich die Strombelastbarkeit von PMOS- und NMOS-Bauelementen proportional zu ihrer Breite verhält und auch eine Funktion der angelegten Gate-Vorspannung ist. Bei dieser Ausführungsform würde der Mikrostrahlformersender vorzugsweise eine geringe Anzahl von PMOS- und NMOS-Bauelementen umfassen, die sich selektiv (durch ihre Gate-Vorspannung) aktivieren lassen, um verschiedene Ansteuerungsströme zu und von jedem Wandler vorzusehen. Für eine maximale Effizienz dürfen die Pull-up- und Pull-down-Bauelemente nicht gleichzeitig stromleitend sein, wobei jedoch andere, weniger effiziente Betriebsarten möglich sind.the It is known to those skilled in the art that the current carrying capacity of PMOS and NMOS devices proportional to their width and also behaves is a function of the applied gate bias voltage. In this embodiment would the Mikrostrahlformersender preferably a small number of PMOS and NMOS devices that selectively (by their gate bias) enable to control different drive currents from each transducer. For a maximum efficiency allowed the pull-up and pull-down devices are not simultaneously conducting but other less efficient modes of operation are possible.
Im Normalbetrieb einer bevorzugten Ausführungsform wird eine ausgewählte Teilgruppe von PMOS-Bauelementen aktiviert, um den Wandler anzusteuern. Die Anzahl der aktivierten Bauelemente, und damit der verfügbare Ansteuerungsstrom, kann auf jedem Mikrostrahlformerkanal einzeln gesteuert werden. Vorzugsweise werden die PMOS-Bauelemente für die Dauer ungefähr einer Viertel Wellenlänge des anzuregenden akustischen Signals aktiviert. Anschließend wird eine ausgewählte Teilgruppe von NMOS-Bauelementen für die Dauer ungefähr einer Viertel Wellenlänge des anzuregenden akustischen Signals aktiviert, um den Wandler zu entladen. Zu beachten ist jedoch, dass bei Ungleichheit der gewählten Pull-up- und Pull-down-Ströme die Dauer der Pull-up- und Pull-down-Ereignisse eventuell ungleich ist. Die am Wandler entwickelte Spannung ist zwar eine Funktion des angelegten Ansteuerungsstroms und der Kapazität des Wandlers, wird im Allgemeinen aber eine ansteigende Rampe bis zu einer gewissen Spannung gefolgt von einer abfallenden Rampe sein. Die Steigung dieser Rampen wird durch den Ansteuerungsstrom und die Wandlerkapazität definiert.in the Normal operation of a preferred embodiment becomes a selected subset activated by PMOS devices to drive the converter. The Number of activated components, and thus the available drive current, can be controlled individually on each microbeamformer channel. Preferably, the PMOS devices become for the Duration approximately a quarter wavelength of the acoustic signal to be activated. Subsequently, will a selected one Subgroup of NMOS devices for the Duration approximately a quarter wavelength of the acoustic signal to be activated to the converter discharged. It should be noted, however, that if the selected pull-up and pull-down currents the duration of the pull-up and pull-down events possibly unequal. The voltage developed at the converter is while a function of the applied drive current and the capacity of the converter, In general, however, it will be a rising ramp to some tension followed by a sloping ramp. The slope of these ramps is defined by the drive current and the converter capacitance.
Eine Hauptkomponente dieser Ausführungsform der Erfindung ist, dass die Ansteuerungsströme während der Pull-up- und Pull-down-Ereignisse zwar programmierbar sind, die Dauer dieser Ereignisse aber (für eine bestimmte gewünschte akustische Frequenz) feststeht. Das heißt, um unterschiedliche Apodisierungsebenen über das Array hinweg zu erreichen, kann jeder der Mikrostrahlformerkanäle unterschiedliche Ströme für eine vorgegebene Pull-up- und Pull-down-Dauer liefern, die für alle Kanäle gleich ist. Die Zeit, zu der die Kanäle die Wandler ansteuern, hängt von der gewünschten Verzögerung ab, und der den Wandlern zugeführte Strom hängt von der gewünschten Apodisierung ab.A Main component of this embodiment the invention is that the drive currents during the pull-up and pull-down events are programmable, but the duration of these events (for a given desired acoustic frequency). That is, to different apodization levels over the Achieve array across each of the microbeamformer channels can be different streams for one deliver predetermined pull-up and pull-down durations that are the same for all channels is. The time to which the channels the converters drive, hangs from the desired Delay, and that supplied to the transducers Electricity depends on the desired Apodization off.
Eine direkte Erweiterung der obigen Ausführungsform ist es, noch eine weitere Ausführungsform der Erfindung zu schaffen, bei der auf jedem Mikrostrahlformerkanal ein Pull-up- und ein Pull-down-Bauelement zugeordnet ist, um den Wandler für Zeitspannen anzusteuern, die je nach gewünschter Apodisierung über das Array hinweg variieren. Bei diesem Ansatz der Impulsbreitenmodulation variiert die Zeitspanne, für die die Pull-up- und Pull-down-Bauelemente aktiviert werden, wodurch die dem Wandler zugeführte Gesamtenergie gesteuert wird. Die resultierende akustische Wellenformamplitude wird annähernd proportional zur Breite der angelegten Stromimpulse sein.A direct extension of the above embodiment is still one another embodiment of the Invention to provide on each Mikrostrahlformerkanal a pull-up and a pull-down device is assigned to the Converter for To control time spans, depending on the desired apodization on the Vary across the array. In this approach of pulse width modulation the time span varies for the the pull-up and the Pull down components are activated, whereby the total energy supplied to the transducer is controlled. The resulting acoustic waveform amplitude will approximate be proportional to the width of the applied current pulses.
Die Hauptunterschiede zwischen dieser Ausführungsform und der vorhergehenden Mehrfachstrom-Ausführungsform bestehen in der Art, wie die Mikrostrahlformersender gesteuert werden. Bei der Mehrfachstrom-Ausführungsform bestimmt die Apodisierungsfunktion die Stromeinstellung, wobei jedoch die Impuls-Up- und Impuls-Down-Sequenz (trotz von Kanal zu Kanal unterschiedlicher Startzeit dieser Sequenz) auf allen Kanälen gleich ist. Bei dieser Ausführungsform bestimmt die Apodisierungsfunktion die Impulsbreite der Up- und Down-Ereignisse, wobei aber die Pull-up- und Pull-down-Ströme auf allen Kanälen gleich sind (und die Startzeit dieser Sequenz von Kanal zu Kanal ebenfalls unterschiedlich ist). Es gibt natürlich Kompromisse hinsichtlich der Zeitsteuerungskomplexität zwischen diesen Ausführungsformen, die gegen Unterschiede bei der Komplexität (Größe) der Hochspannungsquelle abzuwägen sind.The Main differences between this embodiment and the previous one Multiple stream embodiment consist of the way the microbeamformer transmitters are controlled. In the multiple current embodiment the apodization function determines the current setting, however the pulse-up and pulse-down sequence (despite from channel to channel different start time of this sequence) all channels is equal to. In this embodiment determines the Apodisierungsfunktion the pulse width of the up and Down events, but with the pull-up and pull-down currents at all channels are equal (and the start time of this sequence from channel to channel is also different). There are, of course, tradeoffs the timing complexity between these embodiments, against the differences in the complexity (size) of the high voltage source weigh are.
Für den Fachkundigen sollte es offensichtlich sein, dass jede dieser Ausführungsformen neuartige Paradigmen hinsichtlich Stromversorgungsanschluss, Entwurf von Hochspannungsansteuerungsschaltungen und Verfahren zur Zeitsteuerung der Ansteue rungseinheiten darstellen, die in verschiedenen unterschiedlichen Konfigurationen kombiniert werden könnten. Je nach Anwendungs- und Implementierungsbeschränkungen kann eine dieser verschiedenen Ausführungsformen oder Kombinationen davon optimal oder wünschenswert sein. Diese Erfindung ist so zu verstehen, dass sowohl die einzelnen beschriebenen Ausführungsformen als auch beliebige Kombinationen hiervon abgedeckt werden.For the expert It should be obvious that each of these embodiments novel paradigms concerning power supply connection, design of high voltage driving circuits and methods of timing represent the control units that are in different different Configurations could be combined. Depending on the application and implementation restrictions may be one of these various embodiments or combinations of which optimal or desirable be. This invention should be understood to include both the individual ones described embodiments as well as any combinations thereof are covered.
Die Erfindung sowie ihre weiteren Aufgaben und Vorteile lassen sich am besten unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung nachvollziehen, die in Verbindung mit begleitenden Zeichnungen zu sehen ist, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente kennzeichnen. Es zeigen:The Invention and its other objects and advantages can be best understood by reference to the following description, which to be seen in conjunction with accompanying drawings, wherein the same Reference signs denote like elements. Show it:
Nachfolgend werden verschiedene Verfahren zur Apodisierungssteuerung eines Mikrostrahlformers eines Ultraschallwandlers beschrieben. Diese Verfahren haben das gemeinsame Ziel, die Fähigkeit zur Formung der Sendestrahlenbündel zu verbessern, indem die jedem Wandler oder einer Vielzahl von Wandlern in einem Mikrostrahlformer-Patch zugeführte Ansteuerungsspannung oder der zugeführte Ansteuerungsstrom justiert wird. Die Verfahren können unabhängig voneinander oder im möglichen Umfang in Kombination miteinander eingesetzt werden.following Various methods for Apodisierungssteuerung a micro-beam former an ultrasonic transducer described. These methods have that common goal, the ability to Forming the transmission beam improve by adding each transducer or a variety of transducers in a microbeamformer patch supplied Control voltage or the supplied drive current adjusted becomes. The procedures can independently from each other or in the possible Scope be used in combination with each other.
Bei
einer ersten Ausführungsform
eines Systems zur Apodisierungssteuerung eines Mikrostrahlformers,
dargestellt in
Jeder
Mainframe-Sender
Während des
Betriebs wird mindestens für die
Dauer jedes Sendebursts ein unipolarer Impuls von den Mainframe-Sender
Sowohl
in den Mainframe-Kanälen
Sowohl
in den Mainframe-Kanälen
Eine
andere Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Systems
zur Apodisierungssteuerung hat einen einfacheren Aufbau als die
in
Nun
Bezug nehmend auf
Ein
Koaxialkabel
Diese
Ausführungsform
wirkt sich auf die IC-Architektur des Mikrostrahlformers dahingehend aus,
dass sie dafür
vorgesehen sein muss, mehrere separate Energieversorgungen für die Chips
bereitzustellen (jedoch nur eine pro Patch), und dass die separaten
Energieversorgungen auf eine derartige Weise angeordnet sein müssen, dass
eine brauchbare Apodisierung gewährleistet
ist.
Die
im Mainframe vorgesehenen Versorgungsspannungen
Eine
weitere Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Systems
zur Apodisierungssteuerung hat eine kleine Anzahl von Hochspannungsschienen
(z. B. zwei), die jedem Mikrostrahlformersender bereitgestellt wird.
Wenn der Sender den zugehörigen
Wandler ansteuert, kann er angewiesen werden, zwischen diesen Versorgungen
zu wählen. Wie
in
Indem
man HV2 auf eine Spannung unter HV1 einstellt, kann jede der beiden
Spannungsversorgungen ausgewählt
werden, indem pro Element (oder pro Patch) der Einzelschalters
Anstatt
zwei HV-Schienen mit einem einzelnen Pull-up-Bauelement zu verbinden,
eine über
einen Schalter und die andere über
eine Diode, wie in
Das
Verfahren, mehrere Spannungsquellen bereitzustellen und mit Hilfe
eines Pull-up-Bauelements zwischen den Spannungsquellen umzuschalten,
wie in
Bei
einigen Ausführungsformen
der Erfindung ist es möglich,
zusätzlich
oder anstelle des Vorsehens einer Regelung der Spannung zu den Mikrostrahlformersendern
In
der Erfindung verwendete Ansteuerungsstrom-Schaltungen umfassen
im Allgemeinen schaltbare Stromquellen und -senken, die eine Veränderung
des zu den Wandlern
Eine
erste Ausführungsform
eines stromgesteuerten Ultraschall-Mikrostrahlformersenders
Angesichts
der Kapazität
des Wandlers
Die
Pull-up-Bauelemente
Die
vorhergehende Konstruktion der Umsetzerzelle
Eine
weitere Modifikation von Ansteuerungsstrom-Steuerschaltungen beruht
auf der Erkenntnis, dass die gesamte den Wandlern
In
Ein
Steuercomputer oder -prozessor
Der
Zeitsteuerungsgenerator
Genauer
gesagt erzeugt der Zeitsteuerungsgenerator
Die
Umsetzerzelle
Das
Steuern der Zeitsteuerung der Pull-up- und Pull-down-Bauelemente
Die
oben unter Bezugnahme auf die
Die
oben unter Bezugnahme auf
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8320 | Willingness to grant licences declared (paragraph 23) | ||
8381 | Inventor (new situation) |
Inventor name: SAVORD, BERNARD, BRIARCLIFF MANOR, NY 10510, US Inventor name: SCHMIDT, SHON PHILIPS IP & STANDARDS, BRIARCLI, US Inventor name: FREEMAN, STEVEN, BRIARCLIFF MANOR, NY 10510, US Inventor name: ROBINSON, ANDREW, BRIARCLIFF MANOR, NY 10510, US |
|
8364 | No opposition during term of opposition |